矿山蓄热/储能充填体的热-力性能与传热过程

摘要

我国地下矿山储存着丰富的地热资源,深部矿井资源的开采为地热资源的开发提供了有利条件.将充填采矿与地热资源开采相结合,利用蓄热/储能功能性充填体提取地热,借助深部矿井开采已有条件为地热开发的动力供应和管路布设提供保障,可有效节约地热资源开发所需的钻探和开采成本,促进矿区的长期可持续发展.蓄热/储能功能性充填的总体实施方案包括充填材料制备、采热管路布置、充填体蓄热/释热3个阶段,本研究在材料制备方面提出了适宜于矿山蓄热/储能功能性充填的材料特性及优化目标,并测试了使用石蜡作为相变材料替代部分骨料(如尾矿)的充填材料热力学性能,结果表明随着灰砂比或料浆质量浓度的增加,充填体的抗压强度增大,同时相变材料的加入会使充填体的抗压强度、导热系数下降,而比热容明显增大.采用实验测试的方法对不同管路布置及不同换热工况下采热系统的性能展开研究,并基于热平衡计算了系统的总能效系数,得到了最优的采热管路布置方式及设计参数,当采用蛇形管路布置,载热流体入口速度为0.7 m/s,围岩温度为35°C时,采热系统具有更高的总能效系数,其值为0.48.采用数值模拟的方法对添加石蜡的充填体蓄热/释热行为展开研究,结果表明:蓄热/释热过程中(20 h),添加质量分数10％石蜡的充填体比不添加石蜡的充填体多蓄存55.5％的热量,但释热量大幅减少,总能效系数降低.